Back to report · Publisher record

Folberth et al. (2016). Uncertainty in soil data can outweigh climate impact signals in global crop yield simulations

Page 1

Figures and page graphics, page 1

ARTICLE

Received 29 Jul 2015

|

Accepted 4 May 2016

|

Published 21 Jun 2016

Uncertainty in soil data can outweigh climate
impact signals in global crop yield simulations

Christian Folberth

1,2

, Rastislav Skalsky

´

1,3

, Elena Moltchanova

1,4

, Juraj Balkovicˇ

1,5

, Ligia B. Azevedo

1

,

Michael Obersteiner

1

& Marijn van der Velde

6

Global gridded crop models (GGCMs) are increasingly used for agro-environmental

assessments and estimates of climate change impacts on food production. Recently, the

influence of climate data and weather variability on GGCM outcomes has come under

detailed scrutiny, unlike the influence of soil data. Here we compare yield variability caused by

the soil type selected for GGCM simulations to weather-induced yield variability. Without

fertilizer application, soil-type-related yield variability generally outweighs the simulated

inter-annual variability in yield due to weather. Increasing applications of fertilizer and

irrigation reduce this variability until it is practically negligible. Importantly, estimated climate

change effects on yield can be either negative or positive depending on the chosen soil type.

Soils thus have the capacity to either buffer or amplify these impacts. Our findings call for

improvements in soil data available for crop modelling and more explicit accounting for soil

variability in GGCM simulations.

DOI: 10.1038/ncomms11872

OPEN

1

Ecosystem Services and Management Program, International Institute for Applied Systems Analysis, 2361 Laxenburg, Austria.

2

Department of Geography,

Ludwig Maximilian University, 80333 Munich, Germany.

3

Soil Science and Conservation Research Institute, National Agricultural and Food Centre, 82713

Bratislava, Slovak Republic.

4

School of Mathematics and Statistics, University of Canterbury, Christchurch 8140, New Zealand.

5

Department of Soil Science,

Faculty of Natural Sciences, Comenius University, 84104 Bratislava, Slovak Republic.

6

European Commission, Joint Research Centre, 21027 Ispra, Italy.

Correspondence and requests for materials should be addressed to C.F. (email: folberth@iiasa.ac.at).

NATURE COMMUNICATIONS

| 7:11872 | DOI: 10.1038/ncomms11872 | www.nature.com/naturecommunications

1

Page 2

Figures and page graphics, page 2

C

rop

growth

simulation

models

have

become

an

indispensable tool for estimating future impacts of
climate change on crop yield

1–6

. Projections generally

indicate adverse effects of climate change on crop yield at low
latitudes and mixed effects at mid and high latitudes

2,6

.

Uncertainties can be traced to different spatial and temporal
sources including input data, model structure and process
parameterization. The use of multiple general circulation model
(GCM) projections has become the norm to characterize the
uncertainty in climate projections for crop impact studies

1–6

.

Recently, efforts have been made to characterize the uncertainty
in crop model processes and setups themselves. Forcing an
ensemble of seven global gridded crop models (GGCMs) with
the same set of GCM projections resulted in comparable
present-day yield levels but relative climate change impacts on
crop yields ranged from about

40 to

þ

25% by the 2090s for a

high CO

2

emission pathway

6

. Similarly, an ensemble of 27

field-scale wheat models exhibited a wide range of possible yield
changes under high CO

2

and temperature change of -100 to

þ

100% in extreme cases

7

.

Surprisingly, soils have not been recognized as a key element in

agricultural climate change impact studies on the global scale.
The water and nutrient storage capacity of soils enables them
to sustain crop growth during periods of adverse conditions
and to either buffer

8,9

or reinforce

10

impacts of climate

variability. Hence, investigating the uncertainty in global soil
data and its impact on global crop simulations is essential.
This uncertainty encompasses at least two major components,
which are the quality of global soil data in terms of accuracy and
range of measured soil characteristics on the one hand and the
correct spatial allocation of soil types to cropland within GGCMs
on the other.

Here we focus on the second component and its relevance for

interactions between climate and soil characteristics in regulating
plant growth functions. Soils are generally characterized by high
spatial variability. Global soil data sets usually consist of maps
delineating so-called soil mapping units (SMUs), representing
regions of similar topography and soil genesis, and a database
containing certain characteristics of a number of soil types.
Thereby, one or several soil types can be linked to each SMU

11,12

.

Alternatively, such databases provide data on selected soil
characteristics that can be interpolated to a high spatial
resolution

13

. As GGCMs usually run at a spatial resolution of

0.5

°

0.5

°

(about 50

50 km

2

near the equator)

2,6

, various soil

types or combinations of soil parameters may in both cases
occur within one simulation unit. To our knowledge, GGCM
studies generally use the soil that is dominant with respect
to coverage

1–6,14,15

. In reality, it is not known

a priori

which

one of these soil types is being used for agricultural production.
Farmers are likely to grow their crops either on the soil
most suitable for cultivation or choose the soil based on socio-
economic considerations or limitations such as land tenure

16

.

A rigorous evaluation and GGCM sensitivity analysis to assess

the importance of the uncertainty caused by soil data relative to
climate input data and farm management is therefore crucial.
The findings of recent regional studies that investigated how
selection or extrapolation of soil data influences simulated crop
yields are conflicting: Zhang

et al.

17

found that finer resolution

soil data improve model performance in high-resolution crop
simulations in the US mid-west, with only small differences in
average crop yields but large deviations in the spatial
representation of yields and carbon fluxes. By contrast, Angulo

et al.

18

found only marginal differences in simulated yields when

aggregating soil data. They attributed their findings to high
precipitation in the study region (Northwest Germany) and
the algorithms used for estimating hydraulic parameters. Waha

et al.

19

finally concluded that the choice of crop model (APSIM or

LPJmL) and climate data are greater sources of uncertainty than
soil data in crop simulations for West Africa.

Here we used the Harmonized World Soil Database

12

(HWSD;

version 1.2 last updated 2012) to evaluate the impact of soil input
data on yield estimates in a GGCM. Aggregating the HWSD to a
0.5

°

0.5

°

resolution resulted in unique combinations of up to 77

soil profiles per grid cell. The GGCM was based on the field-scale
model EPIC

20

(Environmental Policy Integrated Climate) and

maize was selected as a representative crop. To account for effects
of soil nutrient and water supply, we simulated a total of six
management scenarios, consisting of no (no-nut), business as
usual (bau-nut) or sufficient (high-nut) mineral fertilizer supply,
each combined with purely rainfed cultivation or sufficient
irrigation water supply. Yield variability was assessed using the
coefficient of variation (CV, equation (7)). With respect to
meteorological data, yields may vary between climate data sets in
general

and

inter-annually

due

to

inter-annual climate variability. Among different soil types,
yields vary due to differences in nutrient availability, soil
nutrient

retention

capacity

and

water-holding

capacity.

Examples of processes driven by both climate and soil factors
are soil hydrology, soil temperature and evapotranspiration. To
disentangle the signature of climate and soil on simulated yields,
we compare the inter-annual yield variability solely associated
with the dominant soil type (CV

dom

) to the variability resulting

from the full range of soil types and annual yield estimates in each
grid cell (CV

tot

). In this way, we can quantify the soil-related yield

signals that are lost if only the dominant soil is used. The
comparison of CV

dom

and CV

soil

, which describes the variability

of mean yields across all soil types in a grid cell, shows whether
climate variability or uncertainty about the cultivation of
soil types in the respective grid cells has a larger effect on
yield estimates. The latter is primarily the case under agricultural
low input conditions, whereas the first dominates under high
input conditions and in regions with agriculturally adverse
climates. We perform an assessment of the climate change
impacts on simulated maize yield to highlight the importance of
soil data for agricultural climate change impact studies. Soil data
choices can cause differences in the magnitudes and - in extreme
cases - also the direction of climate change impacts.

Results

Differences in climate- and soil-related yield variability

. The

yield variability over a 10-year period and the total range of
possible soil types CV

tot

is substantially higher than the solely

climate-driven 10-year yield variability CV

dom

under most crop

management configurations across the different climate regions
(Fig. 1a–f and Table 1). This is particularly true under irrigated
conditions without any exogenous nutrient application or with
present-day fertilizer supply in low input regions (Fig. 1b,d).
The impact of water deficit on yields is virtually eliminated under
these conditions and soil nutrient supply becomes the main driver
for yield variability. The soil ensemble-driven yield variability
CV

tot

and the climate-driven yield variability CV

dom

are nearly

identical if sufficient nutrients and irrigation water are supplied
(Fig. 1f). By contrast, rainfed conditions raise both CV

dom

and CV

tot

substantially (Figs 1a,c,e and 2a,c,e) as precipitation

patterns and soil hydrologic characteristics become major
factors determining yield variability. This is most apparent
in (semi-)arid regions with CVs often above 150%. In the
absence of fertilizer supply, CV

tot

is higher than CV

dom

in more

than 89% of all grid cells (Table 1). Medians of CV

tot

and CV

dom

(Supplementary Table 2) differ by factors of about 1.2–2.5 in arid
and 1.8–3.1 in non-arid climates with larger differences in the

ARTICLE

NATURE COMMUNICATIONS | DOI: 10.1038/ncomms11872

2

NATURE COMMUNICATIONS

| 7:11872 | DOI: 10.1038/ncomms11872 | www.nature.com/naturecommunications

Page 3

Figures and page graphics, page 3

0

25

75

0

25

75

0

25

75

0

25

75

0

25

75

0

25

75

0

25

75

0

25

75

0

25

75

0

25

75

0

25

75

0

25

75

0

25

75

0

25

75

0

25

75

0

25

75

0

25

75

0

25

75

0

25

75

0

25

75

0

25

75

0

25

75

0

25

75

0

25

75

No nutrient input - rainfed

Inter-annual yield variability among all soils (CV

tot

) (%)

Inter-annual yield variability on dominant soil (CV

dom

) (%)

Climate region

Tropic

Arid

Temperate

Cold

Density level

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

No nutrient input - irrigated

Bau nutrient input - rainfed

Sufficient  nutrient input - rainfed

Sufficient  nutrient input - irrigated

Bau nutrient input - irrigated

a

b

c

d

e

f

Figure 1 | Coefficient of variation of maize yields in each grid cell for all soil types compared with the dominant soil only.

Each panel depicts the

coefficient of variation (CV) for a different nutrient and water management scenario: (

a

) no nutrient application and rainfed water supply, (

b

) no nutrient

application and sufficient irrigation water supply, (

c

) business-as-usual (bau) nutrient application and rainfed water supply, (

d

) bau nutrient application

and sufficient irrigation water supply, (

e

) sufficient nutrient application and rainfed water supply and (

f

) sufficient nutrient application and sufficient

irrigation water supply (see Table 3 for details). The colours in the four subpanels displayed for each crop management scenario indicate the major
Koeppen–Geiger climate regions

52

(Supplementary Fig. 1 and Supplementary Table 1) tropic (red), arid (green), temperate (blue) and cold (purple).

The size and shading of polygons of the same colour indicates levels of density corresponding to the bins shown in the density scale. The percentages
of grid cells below the 1:1 line are shown in Table 1. Grid cells with only one reported soil type, arctic climate or without reported maize harvested
area were excluded.

NATURE COMMUNICATIONS | DOI: 10.1038/ncomms11872

ARTICLE

NATURE COMMUNICATIONS

| 7:11872 | DOI: 10.1038/ncomms11872 | www.nature.com/naturecommunications

3

Page 4

Figures and page graphics, page 4

rainfed than in the irrigated scenarios. Under such low-input
conditions, crop nutrients are only supplied through the
weathering of soil minerals and decomposition of soil organic
matter (SOM)

21

(atmospheric deposition is not taken into

account due to lack of global data; see the Methods for details).
The level of nutrient supply is least relevant in (semi-)arid regions
where water supply and often adverse temperatures are the
main factors limiting biomass production. The number of grid
cells with CV

tot

4

CV

dom

decreases to

B

76% for the two bau-nut

management scenarios (Table 1), representing present-day
fertilizer application patterns with and without sufficient
irrigation. This is accompanied by substantial decreases of
CV

tot

and to a lesser extent CV

dom

, especially under irrigated

conditions (Figs 1c,d and 2c,d and Supplementary Table 2).
Under

rainfed

conditions

and

with

sufficient

nutrient

inputs (high-nut), CV

tot

is larger than CV

dom

in more than

61% of all grid cells. The application of sufficient irrigation water
and nutrients reduces the differences between CV

tot

and CV

dom

to a minimum, rendering them statistically insignificant (Fig. 2f).
In all cases, except where both nutrient and water supplies are
sufficient, we find that CV

tot

is significantly higher than CV

dom

(Supplementary Table 2). We attribute this to the fact that
inherent edaphic and climatic conditions that drive crop
yields are less relevant when water and nutrients are supplied
exogenously.

Impact of area-weighting by soil extent on yield estimates

.

Recently, Zhang

et al.

17

, in a regional high-resolution assessment

of soil organic carbon sequestration, have tested the impact of
weighting EPIC simulation results by soil type extent in each grid
cell. The authors found that this weighting improved simulation
results significantly. We have tested the impact of this approach
as well by computing an area-weighted CV

aw

(see the Methods

for details). In our global study, the area weighted yield variability
CV

aw

or yield variability derived from the dominant soils

alone (CV

dom

) often have very similar distributions (Fig. 2).

They exhibit no statistically significant difference across various
management scenarios and climate zones. The differences in
the medians of CV

aw

and CV

dom

are smaller compared with the

differences between one of the two and CV

tot

(Supplementary

Table 2). It needs to be stressed that area-weighting is a valuable
approach if simulations refer to large coverage of grid cells as is
the case in vegetation modelling or in high-resolution simulations
of agricultural production in extensively cultivated regions.
Globally, however, the area-weighted results do not provide a
sufficient base for estimation of soil-induced yield variability in
the GGCM approach. Even the soil type with the fifth largest
extent has an area which is sufficiently large to account for all
cultivated cropland area in

4

40% of all grid cells (Supplementary

Fig. 2a). If only maize is taken into account, even the soil
type with the 15th rank has sufficient coverage to account for
the maize cultivated area in nearly 50% of all grid cells
(Supplementary Fig. 2b). Therefore, it appears inevitable to take

the whole range of soil types within in each grid cell into account,
treating each one equally. Tentatively, this uncertainty may be
bracketed by carrying out simulations for the dominant, most and
least suitable soil types as was done here to highlight the
importance of various subsets of soil types for model validation
(see the Methods for details).

Exogenous nutrient supply and soil-related yield variability

. As

indicated above, the soil-induced yield variability depends
strongly on nutrient management, especially if water is not a
plant growth-limiting factor and temperatures are favourable for
the cultivated crop. Under irrigated conditions, increasing
fertilizer application rates amplify the difference in CV

tot

among

bau-nut and no-nut conditions (Fig. 3a–d). At high fertilizer
application rates, this is particularly the case in tropical and
temperate climates where temperatures are most favourable for
maize cultivation and hence larger amounts of N can be utilized
by the crop. By contrast, biomass production and therefore
nutrient requirement is limited in arid and cold regions because
of excessively high or low temperatures. Under rainfed
conditions, such a trend is also observed albeit less pronounced
than under irrigation (Fig. 3e–h). In temperate regions, the
average ratio of CV

tot

for bau-nut/no-nut increases from 0.35

when irrigated to 0.67 when rainfed (Supplementary Table 3).
There are only minor differences between CV

tot

in the no-nut and

bau-nut scenarios in arid regions under rainfed conditions as
yield variability is mainly climate driven (c.f. Fig. 4a,c). The mean
ratio here is 0.91, but the two samples still differ significantly
(Supplementary Table 3). These results emphasize the importance
of soil type for crop yield estimates in GGCMs especially when it
comes to assessments focusing on low input regions, which are
considered the most vulnerable regarding present

16

and potential

future food security

6

.

Spatial patterns in soil-related yield variability

. Spatial patterns

indicating whether soil or weather dominate yield variability
depend strongly on crop management as well (Fig. 4). If irrigation
water and fertilizer are not applied (Fig. 4a), then soils dominate
yield variability in nearly 51% and weather in nearly 24% of all
grid cells globally (Table 2). The latter is especially evident in
(semi-)arid regions such as the Great Plains, Southern Africa,
North-eastern Brazil and Central to West Asia. If irrigation water
is supplied but fertilizer not (no-nut-irr), then soils dominate
yield variability in 81% of the maize harvest area globally
(Fig. 4b and Table 2). Yield variability in this case is driven by
weather in only a few areas at the edge of agricultural suitability
because of temperature limitations or if soil data indicates
uniform soil characteristics. By contrast, soil-related yield
variability

is

least

important

under

high-nutrient

input

conditions. With solely rainfed water supply (Fig. 4e), differences
in soil hydrological characteristics remain an important factor
with yield variability dominated by soil type selection in 17.7% of
all grid cells and no clear dominance of soil or climate in 17.9%.
In irrigated agriculture (Fig. 4f), where also the remaining
differences in soil hydrological characteristics are largely
eliminated, soil type selection dominates yield variability in

o

2%

of the grid cells (Table 2), which are located in the Brazilian
savannah, southern Africa and around the Himalaya. This may
appear to be in contrast to Fig. 4a,b, where under irrigation
conditions soils are indicated to be important in more grid cells
compared with rainfed conditions. However, it can be explained
by endogenous nutrient supply from soils being a major plant
growth-limiting factor besides climate under low-nutrient input
conditions. As the model takes only the most limiting factor on
each day of the growing season into account, nutrient stress may

Table 1 | Percentage of grid cells with CV

tot

higher than

CV

dom

.

Management

*

Rainfed

Irrigated

CV

tot

4

CV

dom

CV

tot

4

CV

dom

No-nut

89.7

96.1

Bau-nut

76.7

75.4

High-nut

61.5

28.7

*Bau-nut, business-as-usual nutrient inputs; CV, coefficient of variation; High-nut, sufficient
nutrient inputs; No-nut, no nutrient inputs.

ARTICLE

NATURE COMMUNICATIONS | DOI: 10.1038/ncomms11872

4

NATURE COMMUNICATIONS

| 7:11872 | DOI: 10.1038/ncomms11872 | www.nature.com/naturecommunications

Page 5

Figures and page graphics, page 5

outweigh climate-related stresses under these circumstances
(see the Methods for details). The rainfed and irrigated bau-nut
managements (Fig. 4c,d) provide a mixed picture because of
spatially explicit information on nutrient application. Most parts

of the southern hemisphere (except Brazil, Argentina, Australia
and New Zealand) resemble the pattern of the no-nut scenarios
(Fig. 4a,b) as they presently lack substantial fertilizer inputs
(Supplementary Fig. 3). The northern hemisphere shows the

400

200

Inter-annual yield variability (%)

Inter-annual yield variability (%)

Inter-annual yield variability (%)

100

75
50

25

10

1

400

200

100

75
50

25

10

1

400

200

100

75
50

25

10

1

Inter-annual yield variability (%)

400

200

100

75
50

25

10

1

Inter-annual yield variability (%)

400

200

100

75
50

25

10

1

Inter-annual yield variability (%)

400

200

100

75
50

25

10

1

Tropic

Arid

Temperate

Cold

Tropic

Arid

Temperate

Cold

Tropic

Arid

Temperate

Cold

Tropic

Arid

Temperate

Cold

Tropic

Arid

Temperate

Cold

Tropic

Arid

Temperate

Cold

No nutrient input - rainfed

Bau nutrient input - rainfed

Sufficient nutrient input - rainfed

No nutrient input - irrigated

Bau nutrient input - irrigated

Sufficient nutrient input - irrigated

A B B

B B

B B

A

A

B C

A

A B B

B C

B C

A

A

B C

A

A B C

B C

B C

A

A

B C

A

A B B

B C

B B

A

A

B C

A

A A B

B C

A B

A

A

A B

B

A C B

B C

B B

A

A

B C

A

All soils (CV

tot

)

Dominant soils (CV

dom

)

Area-weighted estimates (CV

aw

)

a

b

e

f

c

d

Figure 2 | Violin plots of the coefficient of variation of maize yields for various soil pools and weightings.

Coefficients of variation (CV) are shown for all

soil types (CV

tot

), the dominant soil type only (CV

dom

) or the area-weighted CV across all soil types in a grid cell based on each soil’s extent (CV

aw

). Each

panel shows a nutrient and water management scenario with (

a

) no nutrient application and rainfed water supply, (

b

) no nutrient application and sufficient

irrigation water supply, (

c

) business-as-usual (bau) nutrient application and rainfed water supply, (

d

) bau nutrient application and sufficient irrigation water

supply, (

e

) sufficient nutrient application and rainfed water supply and (

f

) sufficient nutrient application and sufficient irrigation water supply (see Table 3

for details). The violins represent the density of values along the

y

axis and are of equal area. The capital letters A–C indicate whether the samples are

significantly different according to a Tukey HSD test within each climate region and management scenario. The complete results of statistical analyses are
presented in Supplementary Table 2. Grid cells with only one reported soil type, arctic climate or without reported maize harvested area were excluded.

NATURE COMMUNICATIONS | DOI: 10.1038/ncomms11872

ARTICLE

NATURE COMMUNICATIONS

| 7:11872 | DOI: 10.1038/ncomms11872 | www.nature.com/naturecommunications

5

Page 6

Figures and page graphics, page 6

opposite, because of sufficient or even excessive fertilizer
application rates in most parts such as in the United States,
Europe and China

22

.

The role of soils in climate change impact assessment

. Projected

changes in climate variables often exceed present weather
variability in various regions globally and can even result in
currently inexistent soil-climate combinations. This stresses the
role of soils in attenuating or amplifying impacts of extreme
weather or long-term climate shifts on crop yields. To highlight
the importance of these climate–soil interactions, we performed
an exemplary climate change impact assessment. The assessment
focused on the world’s major food production units (FPUs) using
climate projections up to the 2050s performed with the
HadGEM2-ES GCM under the RCP8.5 emission scenario (Fig. 5).

Depending on whether the highest or lowest yielding soil type

is selected in each grid cell, estimated climate change impacts
expressed relatively to the yield obtained under present climatic
conditions can vary widely within a certain FPU. In 75% of the
major FPUs, relative median yield losses are larger for the least
suitable than for the most suitable soil types. This is partly due to
the relative expression of the yield loss. For example, we find a
nearly sixfold difference between the most (

5.5%) and the least

(

32.1%) suitable soils of FPU 26 (Volga, RUS). The two subsets

of soils provide yields of

B

2.9 and 1.4 t ha

1

during the baseline

period, which results in absolute yield losses of 0.15 t ha

1

on the

highest yielding soil types and 0.45 t ha

1

on the lowest yielding

soil types. The difference in relative yield impacts among the least
and most suitable soils is hence a product of the differences in
absolute baseline yields (twofold) and absolute yield losses
(threefold). In any case, as large-scale agricultural climate change
impact assessments often focus on relative changes in agricultural
productivity

1–3,6

, the specific selection of soil types for GGCM

simulations can have a significant impact on the spatial
interpretation of results. Besides the magnitude of the impact,
even the direction (

þ

/

) may be inversed as a function of soil

type choice as is the case in FPUs 13, 19, 27 and 37.

Discussion

Soil processes modulating impacts of climate on plant growth and
crop yields are highly complex and to fully disentangle them is
beyond the scope of this study. To shed light on some of these
processes, we have explored plant growth dynamics and
associated environmental variables in two contrasting grid cells
(Supplementary Discussion 1 and Supplementary Figs 4–12).
The evaluation reveals that dynamic interactions of soil texture,

Tropic - irrigated

Arid - irrigated

Temperate - irrigated

Cold - irrigated

Tropic - rainfed

Arid - rainfed

Temperate - rainfed

Cold - rainfed

0

50

100

150

200

250 0

50

100

150

200

250 0

50

100

150

200

250 0

50

100

150

200

250

0

50

100

150

200

250 0

50

100

150

200

250

N

 application rate (kg ha

–1

)

N

 application rate (kg ha

–1

)

0

50

100

150

200

250 0

50

100

150

200

250

2.0

1.5

1.0

0.5

0.0

CV

tot

 bau-nut : CV

tot

 no-nut (–)

CV

tot

 bau-nut : CV

tot

 no-nut (–)

2.0

1.5

1.0

0.5

0.0

a

b

c

d

e

f

g

h

Figure 3 | Boxplots showing the ratio of the coefficient of variation in the whole soil set for the business as usual compared with the no nutrient input
scenario.

Ratios of the coefficient of variation for the whole soil set (CV

tot

) for the business as usual (bau-nut) to no nutrient input (no-nut) scenarios are

depicted for various Koeppen–Geiger climate regions and water management scenarios: (

a

) tropic and sufficient irrigation water supply, (

b

) arid and

sufficient irrigation water supply, (

c

) temperate and sufficient irrigation water supply, (

d

) cold and sufficient irrigation water supply, (

e

) tropic and rainfed

water supply, (

f

) arid and rainfed water supply, (

g

) temperate and rainfed water supply and (

h

) cold and rainfed water supply. The dashed line at intersect

y

¼

1 serves as a reference for CV

tot

values in the no-nut scenario. Fertilizer application rates were binned in steps of 10 kg N ha

1

. The extent of the

x

axis

was limited to a maximum of 250 kg N ha

1

for better readability. Details on the fertilizer application rates are provided in the Methods section (Table 3)

and Supplementary Fig. 3. Supplementary Fig. 1 shows the major Koeppen–Geiger climate regions as defined in Supplementary Table 1

52

. CV

tot

, the

coefficient of variation for the whole soil set.

ARTICLE

NATURE COMMUNICATIONS | DOI: 10.1038/ncomms11872

6

NATURE COMMUNICATIONS

| 7:11872 | DOI: 10.1038/ncomms11872 | www.nature.com/naturecommunications

Page 7

Figures and page graphics, page 7

precipitation and plant water requirement can result in
unexpected climate change impact responses. If precipitation
decreases moderately, climate change can cause a more severe
impact on crop yields in soils with lower water-holding capacity
that are drained rapidly, whereas a soil of finer texture may buffer

the potential deficit by storing water for longer periods. However,
very low precipitation levels can also result in lower plant-
available water in fine-textured soils. For such soils, only the very
fine pore-space may be filled with water that is not readily
accessible for plants or the fine texture can cause higher run-off

10

.

Climate

Climate/soil

Soil

No nutrient input - rainfed

No nutrient input - irrigated

Bau nutrient input - rainfed

Bau nutrient input - irrigated

Sufficient nutrient input - rainfed

Sufficient nutrient input - irrigated

a

b

c

d

e

f

Figure 4 | Grid cells in which climate or soil are dominating yield variability.

Climate variability corresponds to CV

dom

in Fig. 1 while yield variability due

to choice of soil (CV

soil

) was computed from the 10-year means of yields from all respective soil types in each grid (see the Methods for details). Climate is

considered to govern yield variability if CV

dom

/CV

soil

4

30% (blue colour), soil is considered to govern yield variability if CV

soil

/CV

dom

4

30% (magenta

colour). Climate and soil are considered to govern yield variability jointly if they are in a range of

±

30% of the respective larger value (yellow colour). Each

panel represents a nutrient and water management scenario with (

a

) no nutrient application and rainfed water supply, (

b

) no nutrient application and

sufficient irrigation water supply, (

c

) business-as-usual (bau) nutrient application and rainfed water supply, (

d

) bau nutrient application and sufficient

irrigation water supply, (

e

) sufficient nutrient application and rainfed water supply, and (

f)

sufficient nutrient application and sufficient irrigation water

supply (see Table 3 for details). Percentages of grid cells falling into either one of the categories are shown in Table 2. Grid cells with only one reported soil
type, arctic climate or without reported maize harvested area were excluded.

Table 2 | Percentages of grid cells in which yield variability is largest for CV

soil

, CV

dom

or not dominated by either one as

displayed in Fig. 4.

Management*

Rainfed

Irrigated

Soil

Climate/soil

Climate

Soil

Climate/soil

Climate

No-nut

50.6

25.7

23.7

81.0

13.0

6.0

Bau-nut

33.0

24.5

42.6

45.4

19.4

35.3

High-nut

17.7

17.9

64.5

1.4

4.4

94.3

*Bau-nut, business-as-usual nutrient inputs; CV, coefficient of variation; High-nut, sufficient nutrient inputs; No-nut, no nutrient inputs.

NATURE COMMUNICATIONS | DOI: 10.1038/ncomms11872

ARTICLE

NATURE COMMUNICATIONS

| 7:11872 | DOI: 10.1038/ncomms11872 | www.nature.com/naturecommunications

7

Page 8

Figures and page graphics, page 8

This would result in a more vulnerable crop while a coarse
textured soil can result in higher levels of plant available water.
Besides these water-related processes, the nutrient supply of a soil
can also attenuate or amplify climate change impacts by
modulating the plant’s sensitivity to climate variables (see the
Methods for details) as has been discussed extensively above with
respect to the nutrient management scenarios. Temperature, solar
radiation and atmospheric CO

2

concentration affect biomass

accumulation independently from soils and soil processes in the
model.

At the global scale, changes in maize yields vary from

26%

on the most suitable soil to

27% on the dominant soil and

31% on the least suitable soil in the climate change scenario

(not shown). This results in an absolute uncertainty range of 5%.
A recent assessment based on yield estimates from 14 GGCMs
forced with projections from 5 GCMs showed that the estimated

change in maize yields may vary from

20 to

þ

15% among

crop models around the year 2050, whereas the GGCM used here
(GEPIC) had an absolute uncertainty range of

B

15% when

driven by the 5 GCMs

6

. This indicates that the largest source of

uncertainties in agricultural climate change impact assessments
lies in crop models themselves followed by uncertainties in GCM
projections. Nevertheless, soil characteristics and data have an
undeniable impact on uncertainty in estimates of crop yields
under climate change. Thus, for the GGCM used here, the
magnitude of the range in observed impacts due to the selection
of soil data amounted to about a third of the uncertainty that was
associated with the five GCM projections. Quantifying this
relative importance in GGCM

GCM ensembles will require the

direct inclusion of various soil data in future ensemble runs.

Further sources of uncertainty in global crop yield simulations

are the correct spatial allocation of cropland, crop management

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

100

50

–50

0

Chang jiang east (CHN)

Mahi tapti (IND)

Niger coast (NGA)

Arkansas (USA)

East african coast (TZA)

Mekong (THA)

Black sea (RUS)

US northeast (USA)

ITA (ITA)

Congo (DRC)

Northeast BRA (BRA)

Central america (Carribean)

Niger east (NGA)

Volga (RUS)

Pa

rana (ARG)

Horn of africa (KEN)

San Francisco (BRA)

Uruguay (BRA)

Salada tierra (ARG)

Jav

a/Eastern Isl. (IDN)

Orange (ZAF)

Red winnipeg (USA)

Loire bordeaux (FRA)

Danube (Adriatic)

Philippines (PHL)

Great lakes (USA)

Chang Jiang west (CHN)

Yucatan (MEX)

Hual He (CHN)

Dnieper (UKR)

Hail He (CHN)

Ohio (USA)

Huang He eastern (CHN)

Middle MEX (MEX)

Pa

rana (BRA)

Danube (Central Eur.)

Songhua (CHN)

Missouri (USA)

Mississippi (USA)

Δ

Yield [%]

Soil suitability

Most suitable

Least suitable

1

32

2

3

14

6

36

29

5

35

37

4

33

23

30

16

17

21

8

12

19

10

31

27

24

25

22

28

18

26

38

13

7

9

11

39

15

20

34

a

b

Figure 5 | Projected percentage change in maize yields by the 2050s in the 39 largest food production units (FPUs).

(

a

) FPUs as defined by

intersecting water basins with major administrative boundaries

53

. (

b

) Relative change in maize yields for the presently most or least suitable soil type in

each grid cell for the rainfed business-as-usual nutrient input scenario (bau-nut-rf; Table 3). The climate projection is based on HadGEM2-ES for RCP8.5
and is compared here with present-day climate data (see the Methods for details). Each of the selected FPUs comprises more than 10

6

ha of harvested

maize area. Ranking in terms of decreasing cultivated maize area is indicated by the order from right (largest) to left (smallest).

ARTICLE

NATURE COMMUNICATIONS | DOI: 10.1038/ncomms11872

8

NATURE COMMUNICATIONS

| 7:11872 | DOI: 10.1038/ncomms11872 | www.nature.com/naturecommunications

Page 9

Figures and page graphics, page 9

and crop rotations besides varying algorithms applied by different
crop growth simulation models. Several of these uncertainties are
presently being addressed within the GGCM intercomparison
project

23

. Porwollik

et al.

(in preparation), for example, found

that depending on the cropland data set used for aggregation,
global average maize yield estimates differ only slightly, but can
range widely in single countries. A recent study based on the
GEPIC model estimated that rotation of maize with a leguminous
shrub and soil conservation practice can buffer adverse changes
in precipitation under climate change as compared with
conventional intensification

5

. Although such uncertainties are

presently addressed individually, the contributions of single
factors to overall model uncertainty and potential interactions
will have to be investigated in multi-dimensional experiments.

Similar effects can be expected for other crop models with

detailed representation of soil processes

6,24

, such as APSIM,

DSSAT, DNDC or Century and for certain ecosystem and
hydrologic models. The importance of soil data quality and
allocation will increase in the future as the range of soil processes
taken into account in field-scale models and GGCMs is constantly
expanding

24,25

. Considering that yield estimates from bio-physical

crop models often form the basis for subsequent agro-economic
(climate change impact) assessments

26

, uncertainties and errors

originating from soil data will propagate throughout the whole
assessment chain from bio-physical to economic impacts and
further to policy recommendations. This amplifies the need for
developing new strategies on how to deal with soil-related
uncertainty in GGCM simulations.

As any other soil mapping product, the HWSD itself has

intrinsic uncertainties and quality limitations. For example,
substantial differences in the characteristics and locations of soil
types can be observed when comparing global databases like
HWSD to finer-scale regional soil data

27

. Such soil mapping

uncertainties can be further amplified when used in models as has
been shown, for example, by Hendriks

et al.

27

and Lin

et al.

28

One way to avoid this issue is the use of soil profile information
together with spatially represented covariates in digital soil
mapping products to infer directly quantitative soil information
at a given spatial resolution

13

.

Indeed, on-going efforts to improve the quality of basic soil

data, for example, by increasing the coverage of soil samples and
combining

them

with

remote

sensing

(for

example,

http://globalsoilmap.net

29

) are essential. Yet, our results show

that the correct spatial allocation of these soil data to present
cropland is at least equally important. One project targeting the
regional matching of soil data and cropland by merging ground
and remote sensing data is presently carried out by the Africa Soil
Information Service (http://africasoils.net). As long as there are
no global high-resolution input data that match all required
inputs (climate, soil, cropland and management) per grid,
however, the full ensemble of contrasting soil types present in
each location should be taken into account in GGCM
simulations. Alternatively, the role of soils and their variability

in buffering or amplifying future climate impacts on crops should
at least be bracketed by simulating the most and least suitable
soils under cultivation. Another key ingredient for improved
climate impact assessments is the collection and GGCM
representation of crop management practices. This and better
characterizing soils and their variability in GGCMs will allow for
identifying farm-level adaptation options tailored to the range of
marginal to near-optimal conditions experienced in the field.

Methods

Model description

.

We used the geographic information system (GIS)-based

global crop modelling framework GEPIC

30

based on the field-scale model EPIC v.

0810 (refs 20,25) for simulating crop production. Maize was used as a
representative crop to model as it globally accounts for the largest production
volume and the second largest harvested area. Concordantly, it is widely simulated
with GGCMs

1–6,14

. GEPIC reads large-scale input data sets and runs EPIC for each

grid cell of a defined area treating each grid cell as a field with specific climate, soil,
topography and management. The spatial resolution applied here was 0.5

°

0.5

°

,

which is presently the norm in global crop model simulations

6

. The last 10

simulation years after a spin-up period of 30 years were used for evaluation of the
simulation results. EPIC uses the energy-to-biomass conversion approach for
estimating potential biomass increase at a daily time step. The potential increase is
subsequently adjusted by the major stress factor out of nutrients, water,
temperature and aeration to an actual biomass gain. Besides crop growth, soil
processes ranging from organic matter cycling to wind erosion are simulated. Soils
in the EPIC model provide rooting space for plants and serve as the medium
storing, cycling and providing nutrients and water. After crop uptake, drainage,
leaching and other losses to the environment, both can be replenished by fertilizer
and irrigation water application. To account for this, we simulated six management
scenarios with varying levels of water and nutrient supply as shown in Table 3. The
scenarios with ample irrigation and fertilization are assumed to eliminate water-
and nutrient-related stresses on plant growth. The parameterization applied here
has been specified in Folberth

et al.

31

and Rosenzweig

et al.

6

using mainly default

model parameters. More detailed descriptions of model routines and further input
data are provided at the end of the Methods section.

Input data for climate and topography

.

Climate data from the WFDEI.GPCC

database

32

were provided through the ISI-MIP and AgGRID projects

(http://isi-mip.org; http://agmip.org/ag-grid) at a resolution of 0.5

°

0.5

°

.

WFDEI.GPCC is based on temperature and solar radiation from ERA-interim

33

and precipitation and snowfall from GPCC

34

. Climate projections for

HadGEM2-ES RCP8.5 were provided by ISI-MIP

35

and are based on runs for the

CMIP5 project

36

. Elevation and slope were derived from the digital elevation model

GTOPO30 (ref. 37).

Soil database processing and evaluation

.

The HWSD in its version 1.2 (ref. 12)

was used for preparing soil input data for GEPIC. The HWSD is presently the most
up-to-date global soil database, bringing together data from several national and
regional soil assessments. Thereby, 45,000 SMUs were defined by local experts as
homogenous soil regions to which certain soil types were attributed
(Supplementary Fig. 13). Depending on the size of the SMU and the given soil
heterogeneity, these can be up to ten different soil types with varying fractions of
coverage. Exceptions are China and Greenland among other smaller units, for
which only one soil type has been reported per SMU.

The mapping raster of the HWSD was aggregated from its native resolution of

30 arcsec to a 0.5

°

0.5

°

grid complying with the present state-of-the-art in global

crop modelling. Thereby, all soil types from all SMUs in each grid cell were
attributed to the respective grid cell. Their share was calculated based on the
coverage of the SMU within the grid cell and the reported share of the soil type in
the SMU (Supplementary Fig. 14). This resulted in up to 77 soil profiles in each
grid (Supplementary Fig. 15), with the dominant soil type covering between

o

10%

Table 3 | Nutrient and water management scenarios used in the study.

Fertilizer scenario*

Abbreviation

Max. irrigation vol. (mm a

1

)

N (kg ha

1

a

1

)

P (kg ha

1

a

1

)

Business as usual

Bau-nut-irr

2,000*

Variable

w

Variable

w

Business as usual

Bau-nut-rf

—

Variable

w

Variable

w

No nutrient inputs

No-nut-irr

2,000*

—

—

No nutrient inputs

No-nut-rf

—

—

—

Sufficient nutrients

High-nut-irr

2,000*

Max. 500

100

Sufficient nutrients

High-nut-rf

—

Max. 500

100

*The upper limit of irrigation assumes sufficient supply of irrigation water, which is presently the norm in global crop simulations 6 due to lack of data for spatial crop-specific application volumes.

w

Business as usual refers to fertilizer application rates around the year 2000 (see the Methods for details).

NATURE COMMUNICATIONS | DOI: 10.1038/ncomms11872

ARTICLE

NATURE COMMUNICATIONS

| 7:11872 | DOI: 10.1038/ncomms11872 | www.nature.com/naturecommunications

9

Page 10

Figures and page graphics, page 10

and 100% of each simulated grid cell (Supplementary Fig. 16). Owing to the small
extent of SMUs in China, this approach resulted also here in various combinations
of soils per grid cell because of intersecting SMUs (Supplementary Fig. 17 and
Supplementary Fig. 15b).

The aggregation resulted also in smaller extents of the dominant soil type in

each grid cell as shown in Supplementary Fig. 16. The dominant soil type in each
grid cell would still be sufficient for covering all cropland in

4

80% of all grid cells

(Supplementary Fig. 2a). For the subsequent soil types, this figure decreases
continuously. However, even up to the fifth soil type more than 50% of all cropland
could be allocated on the respective soil type in grid cells that have this number of
soil types reported. This highlights that using the dominant soil type in each grid
cell is not justified by the extent of cultivated areas in each grid cell. A similar and
even more pronounced pattern can be observed if only the harvested area for maize
is taken into account (Supplementary Fig. 2b).

Crop nutrient management scenarios

.

Six nutrient and water management

scenarios were simulated (Table 3). The business–as-usual (bau-nut) nutrient
management scenario represents the norm in most GGCMs

6

and is based on data

representative for ‘around the year 2000’. Reported global planting dates and
growing season lengths were obtained from the database by Sacks

et al.

38

. Fertilizer

application rates for N and P were provided by the GGCM intercomparison
coordination team

23

. They are based on global, spatially explicit and crop-specific

fertilizer application rates by Mueller

et al.

39

combined with nutrients embedded in

manure. The application rates for N and P in this scenario are displayed in
Supplementary Fig. 3 and range from 1 (parts of sub-Saharan Africa) to 372
(Egypt) kg N ha

1

a

1

and 0 (parts of sub-Saharan Africa) to 150 (New Zealand)

kg P ha

1

a

1

. Although this management scenario is important as a reference

for comparisons with other studies, the global imbalance in agricultural
nutrient application rates limits the spatial comparability of soil- and
climate-related yield variability.

Hence, two additional nutrient management scenarios were run for evaluating

the effect of soil nutrient contents on crop yields (no-nut) or the effect of soil texture
and water supply (high-nut). No nutrients were supplied in the no-nut scenario in
order to capture the most pronounced effects of endogenous soil nutrient supply in
the model. Although such conditions are rare globally, they are prevalent in parts of
sub-Saharan Africa, West Asia and South America (Supplementary Fig. 3a and b).
For the high-nut scenario, a maximum amount of 500 kg N ha

1

a

1

was set and

the fertilizer was applied automatically by the model based on the plant nutrient
deficit in order to virtually eliminate nutrient limitations for plant growth. As shown
in Supplementary Fig. 18 and Supplementary Table 4, computed optimal N
application rates were mostly

o

225–280 kg N ha

1

a

1

, which corresponds to

present application levels in parts of Europe, the United States of America and
China, and values

o

170 kg N ha

1

a

1

were found for 50% of all grid cells.

Phosphorus was applied at a rigid level of 100 kg P ha

1

a

1

at planting, which

corresponds to common practice in present high-input regions and ensures sufficient
P supply for the plant. Although this causes an oversupply in all grid cells, there are
no interactions with other soil functions in the model and hence the purpose of
eliminating P limitations for plant growth is fulfilled.

Crop water management scenarios

.

Irrigation water supply was either turned off

in all grid cells in order to mimic rainfed only agriculture or irrigation water was
supplied in sufficient amounts. The latter was used for evaluating the effect of soil
nutrient contents and soil texture on maize yields alone if water supply from the
soil—depending on precipitation patterns and soil hydrologic characteristics—is
eliminated as a limiting factor for plant growth. Automatic irrigation takes place in
the model if plant water stress limits potential biomass increase by

Z

10% on a

given day during the growing season. The model then applies sufficient water to
level out plant water stress on this specific day. The total annual allowable amount
was set to 2,000 mm in order to fully eliminate water stress.

Supplementary Fig. 3c depicts an example of irrigation volumes applied by the

model in scenario high-nut-irr. The actually applied volumes were

o

440 mm a

1

in nearly all grid cells and

o

155 mm a

1

in 50% of all grids (Supplementary

Table 4), the highest value found was 1,020 mm a

1

. Owing to this optimization,

the irrigation volumes applied by the model can be considered equal to plant water
requirement supplementary to precipitation.

Model performance evaluation

.

Model performance in reproducing observed

yields around the year 2000, the time period for which reported yields and crop
management are representative, was evaluated at the grid cell (Supplementary
Fig. 19) and national levels (Supplementary Fig. 20). National average yields based
on separate irrigated and rainfed simulations for each grid cell were calculated as

Y

av

;

c

¼

P

m
g

¼

1

Y

i

;

g

A

i

;

g

þ

Y

r

;

g

A

r

;

g

P

m
g

¼

1

A

i

;

g

þ

A

r

;

g

ð

1

Þ

where

Y

av

,c

is the national average yield in country

c

,

Y

i

,g

is yield under irrigated

conditions in grid cell

g

,

Y

r

,g

is yield under rainfed conditions in grid cell

g

,

A

i

,g

is

irrigated area in grid cell

g

and

A

r

,g

is rainfed area in each grid cell

g

. Average yields

per grid cell (Supplementary Fig. 19) were calculate using the same approach
without aggregation at the country level. Rainfed and irrigated maize harvest areas

per grid cell were adopted form the MIRCA2000 data set

40

. Reported yields were

derived from a data set based on national or subnational statistics

41

. The respective

grid-cell-specific estimates were then produced for most suitable soils
(equation (5)), least suitable soils (equation (6)), dominant soils and soils
producing the estimate closest to the reported values.

Among the most suitable, least suitable and dominant soil type, the dominant

provides the best correlation with reported yields under present-day reported
management conditions at the grid cell level (Supplementary Fig. 19a–c and
Table 4). Using the most suitable soil type, results in a lower intercept. When
selecting the yield in each grid cell that is closest to the reported value
(Supplementary Fig. 19d),

R

2

improves significantly and slope and intercept

improve slightly. The mean absolute error (MAE) follows a similar pattern
(Supplementary Fig. 21a). The magnitude of the MAE is at the grid cell level overall
lowest at low-yield levels and highest at high-yield levels. The lowest error occurs
for the minimum yielding soil types and soil types with the closest yield subsets at
low yields. The lowest error at high yields was found for the latter and the
maximum yielding soil types.

Pairwise

t

-tests were applied to compare the MAE of yield estimates between

the various subsets of soils, and all the differences were found to be statistically
significant (

P

o

0.0001). There was not much practical difference in the

performance of the models based on most and least suitable soils, respectively,
apart from the fact that the former tended to overestimate where the latter tended
to underestimate. The estimates of the model, based on the soil producing the yield
closest to the observed, understandably had the highest correlation with the
observed, smallest MAE and smallest mean squared error (MSE). The validation
shows that model performance also strongly depends on which soil type is selected
in each grid cell. However, the approach of selecting the soil providing the yield
closest to the reported corresponds to a calibration and must be treated with care. It
ignores uncertainties originating from management input data like growing
seasons, fertilizer inputs, extents of irrigation areas and volumes and planted
cultivars as well as uncertainties in model algorithms as, for example, the
estimation method for potential evapotranspiration. Also the often coarse
resolution of the reported yields data set not only limits the quality of the validation
at the grid cell level but would also impact such a calibration approach. It also has
to be taken into account that a global validation of crop yields mainly reflects
management conditions that vary in the case of maize strongly between countries
with high agricultural intensification mainly in the Northern hemisphere and
countries with prevailing low-input agriculture.

The agreement between simulated and reported national average yields is far

better in terms of statistical coefficients (Supplementary Fig. 20). The maximum
yielding soil type causes a systematic overestimation of low yields, which is evident
in the high intercept (Supplementary Fig. 20a), whereas the low slope for the lowest
yielding soil type is caused by an overestimation of yields in high-yielding countries
(Supplementary Fig. 20b). The dominant soil type shows at better agreement in
terms of coefficients with reported yields (Supplementary Fig. 20c). Selecting the
best matching yield in each grid cell also improves the agreement at the national
scale massively (Supplementary Fig. 20d). The MAE at the national scale
(Supplementary Fig. 21b) for the minimum yielding soil type follows mostly the
pattern at the grid cell level, except for the highest yield bin, in which simulated
yields match well. The MAE for the maximum yielding soil type in contrast
decreases with increasing reported yields, which is due to the over-estimation of
yields in low-yielding countries. The MAEs for the dominant and best matching
soil types show a similar pattern with constantly comparably low errors.

Yield estimates across time and soil types

.

Different subsets of crop yield

estimates were analysed to identify and compare different sources of variability.
The whole set of possible yields within a grid cell is represented as

YD

n

;

t

¼

YD

1

;

1

  

YD

1

;

10

..

.

. .

.

..

.

YD

LN

;

1

  

YD

LN

;

10

2
6

4

3
7

5

with LN

2

1

;

2

::

77

f

g

and

t

2

1

;

2

; ::

10

f

g

ð

2

Þ

where (YD

n,t

) is the crop yield on a given soil type

n

in year

t

and LN describes the

number of soil types in a given grid cell. These can range between 1 and 77.

n

also

identifies the ranking of soil types according to their aerial coverage with

n

¼

1

standing for the dominant soil type.

t

refers to the simulation years and ranges

Table 4 | Evaluation of model performance for various soil
subsets at the grid cell level.

Soil subset

r

2

ME

MSE

MAE

Most suitable

0.29 (

P

o

.0001)

0.46

6.07

1.87

Least suitable

0.29 (

P

o

.0001)

1.16

6.52

1.76

Dominant

0.36 (

P

o

.0001)

0.25

4.93

1.55

Closest to the observed

0.54 (

P

o

.0001)

0.40

3.34

1.07

MAE, mean absolute error; ME, mean error; MSE, mean squared error.

ARTICLE

NATURE COMMUNICATIONS | DOI: 10.1038/ncomms11872

10

NATURE COMMUNICATIONS

| 7:11872 | DOI: 10.1038/ncomms11872 | www.nature.com/naturecommunications

Page 11

Figures and page graphics, page 11

from 1 to 10. Hence,

YD

n

;

t

¼

YD

1

;

1

  

YD

1

;

10

½

ð

3

Þ

describes the annual yields on the dominant soil type (

n

¼

1

) in each grid cell and

YD

n

¼

YD

1

  

YD

LN

ð

4

Þ

refers to the 10-year means of yields across all soil types (

n

) up to the number of

soil types (LN) in each grid cell.

Identification of most and least suitable soils

.

The most or least suitable soil

types were defined as maximum or minimum yielding soil types within a grid cell.
They were identified by moving through the yield estimates for each grid cell from
the dominant to the least abundant soil and selecting the soil type providing the
highest or lowest yield according to

YD

max

¼

max YD

1

. . .

YD

LN

ð

5

Þ

and

YD

min

¼

min YD

1

. . .

YD

LN

ð

6

Þ

where YD

n

is the array of 10-year mean yields for all soil types in a grid as shown in

equation (4).

Arithmetic and area-weighted coefficient of variation

.

The coefficient of

variation (CV, %) as a measure for yield variability was calculated as

CV

¼

S

X

100

%

ð

7

Þ

where

S

is the standard deviation and

X

is the mean of a sample. Thereby, the

combination of equation (7) and the yield sample in equation (2) is termed CV

tot

,

the combination of equation (7) and yield sample in equation (3) is CV

dom

, and the

combination of equation (7) and the yield sample in equation (4) is CV

soil

.

An area-weighted CV

aw

based on the CVs analogue to the yields in equation (4)

was calculated as

CV

aw

¼

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi

P

LN

i

¼

1

s

2

i

fr

2

i

P

LN

i

¼

1

fr

2

i

s

=

P

LN

i

¼

1

YD

i

fr

i

P

LN

i

¼

1

fr

i

ð

8

Þ

where

s

i

is the standard deviation of yields on soil type

i

, fr

i

is the fraction of

coverage by soil type

i

, YD

i

is the mean yield for soil type

i

and LN is the number of

soil types in the respective grid cell.

Statistical evaluation

.

The statistical significance of differences between yield

subsets in Fig. 2 was tested by an analysis of variance combined with Tukey’s
honest significant difference (HSD) test at

P

¼

0.05. Tukey’s HSD tests whether the

means of two samples are significantly different from each other, which is indicated
by different letters. Yields were log-transformed for both tests to achieve a normal
distribution. Details of the evaluation results are provided in Supplementary
Table 2. Kendall’s tau-test in a modified form that accepts ties within a sample was
used for evaluating the correlation between the ratios of CV

tot

for the bau-nut and

no-nut management scenarios and fertilizer application rates in various climate
regions (Fig. 3 and Supplementary Table 3). This test evaluates a rank correlation
between two non-parametric samples, which is provided if

tau

a

0 and

P

o

0.01.

Relevant routines of the EPIC model

.

The subsequently outlined routines are an

excerpt of the model processes relevant for interpreting the results presented
herein. Their descriptions are based on the original documentation of the
EPIC model, which has been made publicly available by the developers at
http://epicapex.tamu.edu/files/2015/05/EpicModelDocumentation.pdf.

Phenologic development of the crop takes place according to the heat unit (HU)

approach. Daily HU are calculated as

HU

k

¼

T

max

;

k

T

min

;

k

2

T

b

ð

9

Þ

where HU

k

is the HUs accumulated on day

k

[

°

C],

T

max

,k

and

T

min

,k

are the

maximum and minimum temperatures on the day (

°

C) and

T

b

is the base

temperature (

°

C) of a specific crop. Maturity is reached when total accumulated

HU are equal to potential HUs (

°

C), the sum of the daily HU based on long-term

climate data and reported growing seasons provided by Sacks

et al.

38

EPIC estimates potential biomass increase

D

B

p

on each day according to

D

B

p

¼

0

:

001

BE

PAR

ð

10

Þ

where

D

B

p

(t ha

1

) is biomass gain, BE [(kg ha

1

)/(MJ m

2

)] is the biomass-

energy-conversion coefficient and PAR [MJ m

2

] is intercepted photosynthetic

active radiation depending on leaf area index (LAI) and solar radiation. Actual
biomass is subsequently obtained by correcting

D

B

p

for the maximum stress out of

nutrients, water, temperature, aeration, salinity (see further below).

At maturity, crop yield is calculated by multiplying total above-ground biomass

with a water stress-adjusted harvest index (HIA

*

). Many grains like maize are

most sensitive to water stress during flowering, when major yield components are

determined

42

and barrenness of flowers can cause massive yield losses

43

. The

water-stress adjusted HI (HIA*) is estimated from simulated potential HI (HIA;
depending on HU accumulation) and a defined minimum HI (HIA

0

) according to

HIA

¼

HIAHIA

0

ð

Þ

WUR

WUR

þ

exp 6

:

13

0

:

0883

WUR

ð

Þ

þ

HIA

0

ð

11

Þ

where WUR is the simulated water use ratio. WUR is estimated at harvest as

WUR

¼

100

P

K

i

¼

1

U

i

P

K

i

¼

1

E

P

i

ð

12

Þ

where

U

i

[mm d

1

] is the actual and

E

P

i

[mm d

1

] the potential plant water use

rate for day

i

.

K

is the total number of days of the growing season. The exponential

parameters in equation (11) are set to result in 0.05

(HIA-HIA

0

) when

WUR

¼

0.10 and 0.90

(HIA-HIA

0

) when WUR

¼

0.50. Hence, there is little

reduction in HIA

*

if the ratio of

U

to

E

P

is greater than 0.5.

Above-ground biomass growth is constrained mainly by water, nutrients

(N and P), temperature and aeration stress. The major stress on each day of the
growing season limits biomass accumulation by a fraction ranging from 0 to 1.
The sum of the daily values for each stress factor over the growing season is
referred to as ‘stress days’. The stresses are computed as follows:

The effect of water deficit or water stress (WS) on plant biomass production is

based on the concept that drought stress is proportional to the transpiration
reduction

44

. It is calculated as

WS

i

¼

P

M

l

¼

1

u

l

;

i

EP

i

ð

13

Þ

where WS

i

is the amount of water stress on day

i

[

],

l

is a given soil layer [

],

M

is the total number of soil layers [

],

u

l,i

is the plant available water in layer

l

on

day

i

[mm], and EP

i

is the potential ET on day

i

(mm). In addition, water deficit

has an impact on HI as described above. Temperature stress (TS) occurs on a given
day

i

if the average air temperature TG is above the optimum temperature (TO) or

below the base temperature (TB) according to

TS

i

¼

sin

p

2

TG

i

TB

i

TO

i

TB

i

ð

14

Þ

or if the average daily temperature exceeds TO by 50%. Nutrient stresses (N stress
(NS) and P stress (PS)) vary nonlinearly between optimum or excessive supply and
50% of the optimum supply when stress is 100% (ref. 45). First, a scaling factor SNS
(here for

NS

) on a given day

i

is calculated as

SNS

i

¼

200

UN

i

cNB

i

B

i

0

:

5

ð

15

Þ

where UN

i

is the N uptake on day

i

(kg ha

1

), cNB

i

is the optimum N

concentration in biomass on day

i

(kg kg

1

) and

B

i

is the total plant biomass on

day

i

(kg ha

1

). This factor is then used for estimating the actual nitrogen stress

NS according to

NS

i

¼

SNS

i

SNS

i

þ

exp 3

:

52

0

:

026

SNS

i

ð

Þ

ð

16

Þ

The calculation of PS follows the same pattern. Aeration stress occurs if the soil
pore space approaches water saturation. A crop-specific saturation factor SAT for
day

i

is estimated as

SAT

i

¼

100

SW1

i

PO1

i

CAF

j

1

CAF

j

ð

17

Þ

where SW1 is the soil water content (mm) on day

i

in the top 1 m of the soil profile,

PO1 is the pore volume (mm) on day

i

in the top 1 m of the soil profile, and CAF is

the critical aeration factor [

] of crop

j

, which can vary between 0 and 1. If

SAT

i

4

0, aeration stress (AS) is subsequently calculated as

AS

i

¼

1

SAT

i

SAT

i

þ

exp 5

:

10

0

:

82

SAT

i

ð

Þ

ð

18

Þ

Further plant growth constraints occur through limitations of root growth,

whereas EPIC selects that major stresses out of soil strength, aluminium toxicity
and temperature stress to limit root development on a given day. Soil strength
depends on bulk density according to

SS

l

;

i

¼

BD

l

;

i

BD

l

;

i

þ

exp

bt

1

þ

bt

2

þ

BD

l

;

i

ð

19

Þ

where SS

l,i

is the soil strength [

] of layer

l

on day

i

, BD

l,i

is the bulk density

(g cm

3

) of layer

l

on day

i

and

bt

1

and

bt

2

are coefficients based on the soils sand

content. Aluminium toxicity stress (ATS) depends on the amount of aluminium set
free at a certain pH and the aluminium sensitivity of the crop. The amount of
aluminium (AL0) a crop

j

can tolerate is estimated according to

AL0

j

¼

10

þ

20

ALT

j

1

ð

20

Þ

NATURE COMMUNICATIONS | DOI: 10.1038/ncomms11872

ARTICLE

NATURE COMMUNICATIONS

| 7:11872 | DOI: 10.1038/ncomms11872 | www.nature.com/naturecommunications

11

Page 12

Figures and page graphics, page 12

where ALT

j

is an aluminium tolerance index that can vary between 1 (

¼

highly

sensitive) and 5 (

¼

very tolerant). ATS on day

i

is then estimated as

ATS

i

¼

100

ALS

l

;

i

100

AL0

j

ð

21

Þ

where ALS

l,i

is the amount of dissolved aluminium in soil layer

l

on day

i

.

SOM and organic nitrogen cycling follow the approach of the CENTURY

model

46

. As described in Izaurralde

et al.

47

, SOM is split into several pools with

varying exchange and turnover rates: standing dead residue and roots, metabolic
and structural litter, slow humus, passive humus and microbial biomass. C, N and
P may leave the system through erosion, leaching and volatilization. Fluxes
between different pools depend on soil and crop management, soil hydrology,
temperature and depth within the profile. The C/N ratio has in addition an impact
if microbial processes are involved.

Out of various options for calculating water erosion in EPIC, the MUSLE

approach was selected as it has been adapted to small watersheds, which have most
similarity with single agricultural fields. The algorithm is based on rainfall kinetic
energy, soil erodibility, crop management, erosion control practice, slope length
and steepness, and soil coarse fragment content. Daily wind erosion is estimated
taking into account soil erodibility, surface roughness, vegetative cover, mean
unsheltered travel distance of wind across the field and duration of wind greater
than threshold velocity (here with a default of 6 m s

1

). Atmospheric deposition as

an opposite process was not taken into account. Recent studies have shown that
atmospheric loading with and deposition of N and P strongly depend on emissions
from fossil fuel combustion and atmospheric transport processes

48–50

. Resulting

deposition rates are presently not available in a form suitable for global crop
models, but should be included in the future.

The Hargreaves method

51

was used for calculating potential evapotranspiration.

Potential soil evaporation depends on potential evapotranspiration and soil cover.
Actual soil evaporation was estimated from the top 20 cm of the soil profile.

References

1. Fader, M., Rost, S., Mu¨ller, C., Bondeau, A. & Gerten, D. Virtual water content

of temperate cereals and maize: present and potential future patterns.

J. Hydrol.

384,

218–231 (2010).

2. Liu, J.

et al.

A global and spatially explicit assessment of climate change impacts

on crop production and consumptive water use.

PLoS ONE

8,

e57750 (2013).

3. Balkovicˇ, J.

et al.

Global wheat production potentials and management

flexibility under the representative concentration pathways.

Glob. Planet. Chang

122,

107–121 (2014).

4. Elliott, J.

et al.

The parallel system for integrating impact models and sectors

(pSIMS).

Environ. Model. Softw

62,

509–516 (2014).

5. Folberth, C.

et al.

Effects of ecological and conventional agricultural

intensification practices on maize yields in sub-Saharan Africa under potential
climate change.

Environ. Res. Lett.

9,

044004 (2014).

6. Rosenzweig, C.

et al.

Assessing agricultural risks of climate change in the 21st

century in a global gridded crop model intercomparison.

Proc. Natl Acad. Sci.

USA

111,

3268–3273 (2014).

7. Asseng, S.

et al.

Uncertainty in simulating wheat yields under climate change.

Nat. Clim. Chang

3,

827–832 (2014).

8. Knapp, A. K.

et al.

Consequences of more extreme precipitation regimes for

terrestrial ecosystems.

BioScience

58,

811–821 (2008).

9. Wang, E., Cresswell, H., Xu, J. & Jiang, Q. Capacity of soils to buffer impact of

climate variability and value of seasonal forecasts.

Agric. Forest Meteorol

149,

38–50 (2009).

10. Fernandez-Illescas, C. P., Porporato, A., Laio, F. & Rodriguez-Iturbe, I. The

ecohydrological role of soil texture in a water-limited ecosystem.

Water Resour.

Res.

37,

2863–2872 (2001).

11. FAO.

Digital Soil Map of the World.

(FAO, 1995).

12. FAO/IIASA/ISRIC/ISS-CAS/JRC.

Harmonized World Soil Database (version

1.2)

(FAO, 2009).

13. Hengl, T.

et al.

SoilGrids1km—Global soil information based on automated

mapping.

PLoS ONE

9,

e105992 (2014).

14. Stehfest, E., Heistermann, M., Priess, J. A., Ojima, D. S. & Alcamo, J. Simulation

of global crop production with the ecosystem model DayCent.

Ecol. Model.

209,

203–219 (2007).

15. Van der Velde, M., Bouraoui, F. & Aloe, A. Pan-European regional-scale

modelling of water and N efficiencies of rapeseed cultivation for biodiesel
production.

Glob. Chang. Biol

15,

24–37 (2009).

16. Hazell, P. & Wood, S. Drivers of change in global agriculture.

Phil. Trans. R.

Soc. B

363,

495–515 (2008).

17. Zhang, X.

et al.

Multi-scale geospatial agroecosystem modeling: a case study on

the influence of soil data resolution on carbon budget estimates.

Sci. Total

Environ.

479,

138–150 (2014).

18. Angulo, C.

et al.

‘Fingerprints’ of four crop models as affected by soil input data

aggregation.

Eur. J. Agron.

61,

35–48 (2014).

19. Waha, K., Wang, E., Huth, N. & Carberry, P. How model and input uncertainty

impact maize yield simulations in West Africa.

Environ. Res. Lett.

10,

024017

(2015).

20. Williams, J. R.

The EPIC Model

. (ed Singh, V. P.) (Computer Models of

Watershed Hydrology, Water Resources Publications, 1995).

21. Lal, R. Soil carbon sequestration impacts on global climate change and food

security.

Science

304,

1623–1627 (2004).

22. Foley, J. A.

et al.

Solutions for a cultivated planet.

Nature

478,

337–342

ð

2011

Þ

:

23. Elliott, J.

et al.

The Global Gridded Crop Model Intercomparison: data

and modeling protocols for Phase 1 (v1.0).

Geosci. Model Dev

8,

261–277

(2015).

24. Boote, K. J., Jones, J. W., White, J. W., Asseng, S. & Lizaso, J. I. Putting mechanisms

into crop production models.

Plant Cell Environ.

36,

1658–1672 (2013).

25. Izaurralde, R. C., McGill, W. B. & Williams, J. R.

Development and Application

of the EPIC Model for Carbon cycle, Greenhouse gas Mitigation, and Biofuel
Studies

. (eds Liebig, M. A., Franzluebbers, A. J. & Follet, R. F.) (Managing

Agricultural Greenhouse Gases, 2012).

26. Nelson, G. C.

et al.

Climate change effects on agriculture: Economic responses

to biophysical shocks.

Proc. Natl Acad. Sci. USA

111,

3274–3279 (2014).

27. Hendriks, C. M. J., Stoorvogel, J. J. & Claessens, L. Exploring the

challenges with soil data in regional land use analysis.

Agr. Syst.

144,

9–21

(2016).

28. Lin, H., Wheeler, D., Bell, J. & Wilding, L. Assessment of soil spatial variability

at multiple scales.

Ecol. Model.

182,

271–290 (2005).

29. Sanchez, P. A.

et al.

Digital soil map of the world.

Science

325,

680–681

ð

2009

Þ

:

30. Liu, J. A GIS-based tool for modelling large-scale crop-water relations.

Environ.

Model. Softw

24,

411–422 (2009).

31. Folberth, C., Gaiser, T., Abbaspour, K. C., Schulin, R. & Yang, H.

Regionalization of a large-scale crop growth model for sub-Saharan Africa:
model setup, evaluation, and estimation of maize yields.

Agr. Ecosyst. Environ.

151,

21–33 (2012).

32. Weedon, G. P.

et al.

The WFDEI meteorological forcing data set: WATCH

Forcing Data methodology applied to ERA-Interim reanalysis data.

Water

Resour. Res.

50,

7505–7514 (2014).

33. Dee, D. P.

et al.

The ERA-Interim reanalysis: configuration and

performance of the data assimilation system.

Q. J. R. Meteorol. Soc

137,

553–597 (2011).

34. Schneider, U.

et al.

GPCC’s new land surface precipitation climatology based

on quality—controlled

in situ

data and its role in quantifying the global water

cycle.

Theor. Appl. Climatol.

115,

15–40 (2013).

35. Hempel, S., Frieler, K., Warszawski, L., Schewe, J. & Piontek, F. A

trend-preserving bias correction—the ISI-MIP approach.

Earth Syst. Dynam

4,

219–236 (2013).

36. Taylor, K. E., Stouffer, R. J. & Meehl, G. A. An overview of CMIP5 and the

experiment design.

B. Am. Meteorol. Soc

93,

485–498 (2012).

37. USGS.

GTOPO30 Digital Elevation Model

(U.S. Geological Survey EROS Data

Center, 1997).

38. Sacks, W. J., Deryng, D., Foley, J. A. & Ramankutty, N. Crop planting dates: an

analysis of global patterns.

Glob. Ecol. Biogeogr

19,

607–620 (2010).

39. Mueller, N. D.

et al.

Closing yield gaps through nutrient and water

management.

Nature

490,

254–257 (2012).

40. Portmann, F. T., Siebert, S. & Do¨ll, P. MIRCA2000—global monthly irrigated

and rain-fed crop areas around the year 2000: a new high-resolution dataset for
agricultural and hydrological modeling.

Glob. Biogeochem. Cycles

24

GB 1011

(2010).

41. Monfreda, C., Ramankutty, N. & Foley, J. A. Farming the planet. Part 2:

Geographic distribution of crop areas, yields, physiological types, and
net primary production in the year 2000.

Glob. Biogeochem. Cycles

22

GB 1022

(2008).

42. Doorenbos, J. & Kassam, A. H.

Yield Response to Water

(Irrigation and

Drainage Paper 33, 1979).

43. Gaiser, T., de Barros, I., Sereke, F. & Lange, F.-M. Validation and reliability of

the EPIC model to simulate maize production in small-holder farming systems
in tropical sub-humid West Africa and semi-arid Brazil.

Agr. Ecosyst. Environ.

135,

318–327 (2010).

44. Hanks, R. J.

Yield and Water Use Relationships: An Overview

. (eds Taylor, H.

M., Jordan, W. R. & Sinclair, T. R.

Limitations to Efficient Water Use in Crop

Production

(American Society of Agronomy, Crop Science Society of America,

Soil Science Society of America (1983).

45. Jones, C. A. A survey of the variability in tissue nitrogen and phosphorus

concentrations in maize and grain sorghum.

Field Crops Res

6,

133–147

ð

1983

Þ

:

46. Parton, W. J., Ojima, D. S., Cole, C. V. & Schimel, D. S.

A General Model for

Soil Organic Matter Dynamics: Sensitivity to Litter Chemistry, Texture and
Management

(Quantitative Modeling of Soil Forming Processes, SSSA Special

Publication 39, Soil Science Society of America (1994).

47. Izaurralde, R. C., Williams, J. R., McGill, W. B., Rosenberg, N. J. & Quiroga

Jakas, M. C. Simulating soil C dynamics with EPIC: model description and
testing against long-term data.

Ecol. Model.

192,

362–384 (2006).

ARTICLE

NATURE COMMUNICATIONS | DOI: 10.1038/ncomms11872

12

NATURE COMMUNICATIONS

| 7:11872 | DOI: 10.1038/ncomms11872 | www.nature.com/naturecommunications

Page 13

Figures and page graphics, page 13

48. Schulz, M., Prospero, J. M., Baker, A. R., Dentener, F. & Ickes, L. Atmospheric

transport and deposition of mineral dust to the ocean: Implications for research
needs.

Environ. Sci. Technol.

46,

10390–10404 (2012).

49. Liu, X.

et al.

Enhanced nitrogen deposition over China.

Nature

494,

459–462

(2013).

50. Wang, R.

et al.

Significant contribution of combustion-related emissions to the

atmospheric phosphorus budget.

Nat. Geosci.

8,

48–54 (2014).

51. Hargreaves, G. H. & Samani, Z. A. Reference crop evapotranspiration from

temperature.

Applied Engr. Agric

1,

96–99 (1985).

52. Peel, M. C., Finlayson, B. L. & McMahon, T. A. Updated world map of the

Koeppen-Geiger climate classification.

Hydrol. Earth Syst. Sci.

11,

1633–1644

(2007).

53. Rosegrant, M. W.

et al. International Model for Policy Analysis of Agricultural

Commodities and Trade (IMPACT): Model Description

(International Food

Policy Research Institute, 2008).

Acknowledgements

This project was funded by the European Research Council Synergy grant ERC-2013-
SynG-610028 IMBALANCE-P. C.F. was partly supported by a Research Fellowship of
the Center for Advanced Studies of LMU Munich. We thank Joshua Elliott from the
Global Gridded Crop Model Intercomparison (GGCMI) project for processing climate
input data and the GGCMI and ISI-MIP project teams for providing various input data
used in this study.

Author contributions

C.F., R.S., M.V., J.B., M.O. and L.B.A. designed the research; C.F. and R.S. compiled and
prepared the data; C.F. and E.M. performed the data analyses; C.F. and M.V. wrote the
manuscript; all authors interpreted results and commented on the paper.

Additional information

Supplementary Information

accompanies this paper at http://www.nature.com/

naturecommunications

Competing financial interests:

The authors declare no competing financial interests.

Reprints and permission

information is available online at http://npg.nature.com/

reprintsandpermissions/

How to cite this article:

Folberth, C.

et al.

Uncertainty in soil data can outweigh

climate impact signals in global crop yield simulations.

Nat. Commun.

7:11872

doi: 10.1038/ncomms11872 (2016).

This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0
International License. The images or other third party material in this

article are included in the article’s Creative Commons license, unless indicated otherwise
in the credit line; if the material is not included under the Creative Commons license,
users will need to obtain permission from the license holder to reproduce the material.
To view a copy of this license, visit http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

NATURE COMMUNICATIONS | DOI: 10.1038/ncomms11872

ARTICLE

NATURE COMMUNICATIONS

| 7:11872 | DOI: 10.1038/ncomms11872 | www.nature.com/naturecommunications

13


Document Outline